【導(dǎo)讀】負(fù)電壓的概念有時(shí)不如正電壓的概念直觀。也許這是因?yàn)樵S多低壓電子系統(tǒng)不使用負(fù)電壓電源，或者因?yàn)椤柏?fù)”電壓意味著源具有“小于零”的驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)電路的能力。雖然許多有用的甚至高性能的設(shè)備可以在沒(méi)有負(fù)電壓的情況下設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，但了解負(fù)電壓是理解一般電壓的關(guān)鍵，大多數(shù)使用電子產(chǎn)品的人終都會(huì)遇到需要負(fù)電壓電源的電路。
負(fù)電壓的概念有時(shí)不如正電壓的概念直觀。也許這是因?yàn)樵S多低壓電子系統(tǒng)不使用負(fù)電壓電源，或者因?yàn)椤柏?fù)”電壓意味著源具有“小于零”的驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)電路的能力。雖然許多有用的甚至高性能的設(shè)備可以在沒(méi)有負(fù)電壓的情況下設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，但了解負(fù)電壓是理解一般電壓的關(guān)鍵，大多數(shù)使用電子產(chǎn)品的人終都會(huì)遇到需要負(fù)電壓電源的電路（圖 1）。
圖 1.同時(shí)使用正電壓和負(fù)電壓電源的 B 類(lèi)音頻放大器原理圖。您可以在此處閱讀有關(guān)該電路的更多信息。
電壓快速回顧
“電壓”這個(gè)詞現(xiàn)在在技術(shù)和日常環(huán)境中都很常見(jiàn)，因此偶爾提醒自己從科學(xué)角度來(lái)看電壓到底是什么是個(gè)好主意。
電荷可以在世界上做功，利用能量的科學(xué)概念對(duì)功進(jìn)行分析和量化。如果帶電粒子在電線中移動(dòng)，例如導(dǎo)致電機(jī)旋轉(zhuǎn)，它們就具有能量并積極做功。電壓是電能，但它不是一種有源能量。電壓告訴我們?cè)谶m當(dāng)?shù)那闆r下帶電粒子做功的能力，換句話說(shuō)，電壓是勢(shì)能的一種形式。更具體地說(shuō)，它是每庫(kù)侖電荷的電勢(shì)能（以焦耳為單位）。
然而，這個(gè)定義仍然不完整，因?yàn)殡妷翰荒芄铝⒋嬖凇．?dāng)電荷開(kāi)始做功時(shí)，它從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置，同樣，我們必須將電壓測(cè)量為一個(gè)位置的勢(shì)能（每單位電荷）相對(duì)于其他位置的勢(shì)能（每單位電荷） 。因此，電壓始終是差分測(cè)量。當(dāng)我們說(shuō)在某個(gè)時(shí)刻，電路“處于五伏”時(shí)，我們真正的意思是相對(duì)于電路假定的零伏參考點(diǎn)而言為五伏。
為了幫助理解電壓，圖 2 顯示了電路和電荷流的示例圖，以及有用的水類(lèi)比。
用于理解電壓的示例圖和水類(lèi)比。
圖 2.用于理解電壓的示例圖和水類(lèi)比。
什么是負(fù)電壓？
負(fù)電壓與正電壓沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別；兩者都代表相對(duì)于參考電勢(shì)的勢(shì)能。如果電路節(jié)點(diǎn)相對(duì)于參考節(jié)點(diǎn)處于正電壓，并且當(dāng)我們用導(dǎo)體連接這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，常規(guī)電流將從正節(jié)點(diǎn)流向參考節(jié)點(diǎn)。如果負(fù)電壓的電路節(jié)點(diǎn)連接到參考節(jié)點(diǎn)，則常規(guī)電流將從參考節(jié)點(diǎn)流到負(fù)節(jié)點(diǎn)。請(qǐng)記住，在低壓電子設(shè)計(jì)中，參考節(jié)點(diǎn)通常稱為“接地”，但“電路公共點(diǎn)”之類(lèi)的名稱會(huì)更準(zhǔn)確。
為了更好地理解這個(gè)概念，我認(rèn)為海拔高度的類(lèi)比在這里會(huì)有所幫助。假設(shè)珠穆朗瑪峰高 29,032 英尺，但如果單獨(dú)報(bào)道的話，這個(gè)數(shù)字實(shí)際上毫無(wú)意義。我們真正的意思是珠穆朗瑪峰的頂峰海拔 29,032 英尺。海平面的定義是高度為零，即參考高度。地球上的陸地高度（相當(dāng)于死海表面）大約低于海平面 1,400 英尺，我們可以將其描述為負(fù) 1,400 英尺的高度。
正高度和負(fù)高度之間的差異是它們相對(duì)于零高度參考點(diǎn)的位置，就像正電壓和負(fù)電壓之間的差異是它們相對(duì)于零伏參考節(jié)點(diǎn)的電氣“位置”一樣。如果我們使用馬里亞納海溝底部作為參考點(diǎn)，珠穆朗瑪峰和死海都將具有正高度。如果我們使用平流層的上邊緣作為參考點(diǎn)，兩個(gè)高度都將為負(fù)。同樣，我們可以通過(guò)生成新電壓并將其用作零伏參考點(diǎn)，將正電壓“更改”為負(fù)電壓，反之亦然。
高度比較特別合適，因?yàn)橹亓Φ挠绊戭?lèi)似于電勢(shì)能的影響。珠穆朗瑪峰上的球會(huì)滾向海平面，海平面上的球會(huì)滾向死海沿岸。類(lèi)似地，正電壓導(dǎo)致常規(guī)電流從正節(jié)點(diǎn)流到參考節(jié)點(diǎn)，負(fù)電壓導(dǎo)致電流從參考節(jié)點(diǎn)流到負(fù)節(jié)點(diǎn)。
產(chǎn)生負(fù)電壓
基本電路通常從未穩(wěn)壓的電源開(kāi)始，例如來(lái)自電池或壁式變壓器的電源，然后使用線性穩(wěn)壓器將其降至 5V 或 3.3V 。我們不能使用這種方法來(lái)產(chǎn)生負(fù)電壓，不是因?yàn)樨?fù)電壓與正電壓有本質(zhì)上的不同，而是因?yàn)榫€性穩(wěn)壓器通過(guò)耗散能量來(lái)發(fā)揮作用。為了將正電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)電壓，我們可以使用也可以存儲(chǔ)能量的穩(wěn)壓電路。
電容器和電感器是可以儲(chǔ)存能量的基本電子元件，并且都可以用來(lái)產(chǎn)生負(fù)電壓。基于電容器的負(fù)電壓發(fā)生器屬于電源電路的“電荷泵”類(lèi)別，基于電感器的負(fù)電壓發(fā)生器屬于“開(kāi)關(guān)模式”類(lèi)別。基于電感器的解決方案，也稱為DC/DC 轉(zhuǎn)換器和開(kāi)關(guān)電源，更為常見(jiàn)。
顯示為兩個(gè)雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 供電的正電壓和負(fù)電壓的示例圖可用于緩沖運(yùn)算放大器的輸出電流。
圖 3.顯示為兩個(gè)雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 供電的正電壓和負(fù)電壓的示例圖，可用于緩沖運(yùn)算放大器的輸出電流。在此處了解有關(guān)該運(yùn)算放大器緩沖的更多信息。
負(fù)電壓應(yīng)用和設(shè)計(jì)資源
盡管許多電子設(shè)備在沒(méi)有負(fù)電源電壓的情況下實(shí)現(xiàn)其所需的功能，但一些應(yīng)用顯著受益于“雙極”電源（即具有正電壓軌和負(fù)電壓軌的電源）的存在。例如，負(fù)電壓允許正弦信號(hào)延伸到零以上和以下，就像理論上的正弦波一樣，并且具有雙極電源的高功率放大器不需要（可能昂貴的）隔直電容器。
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